Soutenance mémoire
Introduction au packages électroniques
Jusqu’à la fin du 19e siècle, le tube électronique était le seul composant actif. Il a permis, en effet, la fabrication des premiers appareils électroniques : récepteur radio, téléviseur, radar, etc. Toutefois, les besoins en électroniques en matière de densité et de fiabilité pour l’amplification et le traitement du signal allaient mettre fin à la domination des tubes à vide avec l’invention du transistor en 1947 par les américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain. Cette découverte a constitué un tournant décisif dans l’histoire de l’électronique. En effet, le transistor a été utilisé, en premier temps, sous forme de circuit intégré. Il a permis, non seulement de remédier aux insuffisances des tubes à vide, mais aussi de le remplacer dans la plupart des applications notamment celles relatives aux basses et moyenne puissance.
Depuis, l’industrie de la microélectronique s’appuie sur des techniques d’assemblage d’un réseau de transistors et autres composants complexes sur une seule puce, mise en boitier qu’on appelle package. Il convient de préciser, à ce propos, que Jack Kilby a posé le premier jalon en développant le premier package en 1959, appelé circuit intégré « Integrated Circuit (IC) ». Ce IC est composé de deux transistors et une résistance assemblés sur un seul support. Depuis, le nombre de transistors assemblés sur une seule puce (intégration) a continué d’augmenter, tout en réduisant la taille de cette dernière.
Définition et fonctions des packages électroniques
Les packages électroniques font partie intégrante du système microélectronique. Le défi pour le package est de fournir toutes les fonctions essentielles requises par la partie microélectronique, sans limiter les performances de la pièce. Pour relever ce défi, la technologie des packages a également évolué d’un simple package en métal à des structures en céramique et organique multicouches très complexes. Le point de départ de tout package est la plaquette de silicium (silicon wafer ) contenant plusieurs puces électroniques. La plaquette est ensuite découpées en puces élémentaires et chacune de ces puces sera montée sur un substrat. Les die pads sont interconnectées aux substrate pads correspondants soit directement, soit par fils de cablage (wire bonding) ou par «flip-chip ». Le package est ensuite surmoulé avec une résine plastique.
Il existe deux configurations de conception de base pour le placement de la puce : La première s’appelle «cavity-up» ou «face up». Et la deuxième est désignée sous la dénomination «cavity-down» ou «face down», appelée aussi «substrate on chip» (substrat sur la puce).
Concernant le rôle du package, celui ci est primordial. Car, il influence directement les performances électriques, les coûts, les rendements de fabrication et la fiabilité. Les principales fonctions d’un package sont présentées comme suit :
— l’alimentation électrique des circuits
— la distribution du signal
— la dissipation de la chaleur
— la protection des puces contre l’environnement extérieur.
— l’isolation contre les éléments nuisibles de l’environnement, notamment l’humidité et le rayonnement
— la constitution d’un support mécanique pour la puce .
Niveaux de packaging des produits électroniques
Le packaging en électronique a pour rôle d’établir les interconnexions électriques, mécaniques et thermiques, en vue de permettre à des circuits intégrés de traiter ou de stocker l’information. Le packaging suit généralement quatre «Niveaux de packaging» , décrits comme ci-après :
Le premier niveau consiste à relier le circuit intégré à son boîtier. C’est à ce stade que sont réalisées les premières interconnexions électriques permettant d’accéder aux fonctions matérialisées dans ce circuit intégré. De même, dès ce niveau les contraintes d’évacuation de la chaleur générée par le circuit intégré ainsi que les exigences de propagation du signal et de protection contre l’environnement sont prises en compte.
Le deuxième niveau vise à relier le(s) boîtier(s) à une carte (circuit imprimé, le plus souvent). Cette carte peut comporter d’autres composants nécessaires à son fonctionnement tels que : connecteurs, condensateurs, voyants.
Le troisième niveau permet de constituer un ensemble fonctionnel autonome. il est traditionnellement construit autour d’un « fond de panier » recevant plusieurs cartes et pouvant être munies de certaines fonctions collectives (alimentation, ventilation).
Le quatrième niveau comporte la cabinetterie et toutes les liaisons de l’équipement vers l’extérieur. Ce niveau qualifié parfois de macro-packaging, constitue en fait une machine électronique complète. C’est ce niveau qui sera visible par l’utilisateur final.
Etant précisé que les gros systèmes comportent les quatre niveaux cités plus haut. Alors que dans les équipements électroniques, certains niveaux peuvent être absents, c’est le cas, par exemple, de l’informatique personnelle (portable où le micro-ordinateur) qui est constitué d’une seule carte recevant tous les composants.
Types de packages électroniques
De nombreux types de technologies de packages ont été développés. Toutefois, la différence entre les types de technologies de packages est due à divers facteurs à savoir : la structure, les matériaux, la méthodologie de fabrication, la technologie de collage, la taille, l’épaisseur, le nombre de connexions d’E / S, la capacité de dissipation de la chaleur, les performances électriques, la fiabilité et le coût. En général, les packages IC peuvent être classés en deux catégories, à savoir les packages traversants et les packages de montage en surface. Ces deux catégories se réfèrent à la méthodologie utilisée pour assembler les packages à la carte de circuit imprimé (printed circuit board PCB). En effet, si les packages contiennent des broches traversantes qui peuvent être insérées dans des trous dans un PCB, ceux ci sont appelés packages traversants. Et si les packages ne sont pas insérés dans le PCB, mais sont montés sur la surface du PCB, ils s’appellent des packages de montage en surface. L’avantage que présente les packages de montage en surface, par rapport aux packages traversants, réside dans le fait que les deux côtés du PCB peuvent être utilisés et par conséquent une densité d’emballage plus élevée peut être obtenue sur le PCB.
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Table des matières
Introduction générale
1 Introduction au packages électroniques
1.1 Introduction
1.2 Définition et fonctions des packages électroniques
1.3 Niveaux de packaging des produits électroniques
1.4 Types de packages électroniques
1.5 Les différentes phases du cycle de vie d’un package électronique
1.6 Les mécanismes de défaillances
1.6.1 La fatigue
1.6.2 La rupture fragile (fracture) ou ductile
1.6.3 La déformation plastique
1.6.4 Le délaminage
1.7 Conclusion
2 Stratégie de modélisation thermomécanique et thermique
2.1 introduction
2.2 Méthode des éléments finis pour le calcul des structures
2.2.1 Equation de Mouvement : Formulation forte
2.2.2 Loi de Hook
2.2.3 Formulation variationnelle : Formulation faible
2.2.4 Approximation par éléments finis
2.2.5 Résolution en statique
2.3 Application : Gauchissement d’une structure multicouches
2.4 Méthode des éléments finis pour les problèmes thermiques
2.4.1 Equation de la chaleur : Formulation forte
2.4.2 Formulation variationnelle : Formulation faible
2.4.3 Approximation par éléments finis
2.4.4 Résolution en régime permanent
2.5 Application : Profil de température d’un solide chargé thermiquement
2.6 Conclusion
3 Fiabilité et optimisation fiabiliste
3.1 Introduction
3.2 Types d’incertitudes
3.3 Analyse de fiabilité
3.3.1 Méthode de Monte Carlo
3.3.2 Méthode d’analyse de fiabilité de premier et second ordre
3.3.3 Méthode de fiabilité basée sur les méthodes d’optimisation
3.4 Couplage éléments finis et fiabilité
3.4.1 Couplage direct
3.4.2 Surfaces de réponse
3.4.3 Modèle de krigeage
3.4.4 Modèle de krigeage avancé
3.5 Exemple d’application d’un « toit en treillis »
3.6 L’optimisation de la conception basée sur la fiabilité
3.6.1 Comparaison entre l’optimisation déterministe et la RBDO
3.6.2 Optimisation de la conception basée sur la fiabilité
3.7 Exemple d’application « Essieu avant automobile »
3.8 Conclusion
4 Application des méthodes de fiabilité et de la RBDO aux packages électroniques
4.1 Introduction
4.2 Application 1 : Caractérisation thermomécanique des boitiers électronique de type BGA, assortie d’une étude fiabiliste
4.2.1 Calibration du Microscope et du Modèle éléments finis
4.2.2 BGA 10 × 10mm2
4.2.3 Calibrage du microscope à haute précision
4.2.4 Validation du modèle éléments finis
4.2.5 Résultats du microscope à haute précision
4.2.6 Résultats des simulations Vs résultats des mesures
4.2.7 Analyse de fiabilité
4.2.8 Conclusion
4.3 Application 2 : Optimisation fiabiliste des packages électroniques BGA, avec utilisation du modèle de substitution de krigeage
4.3.1 Introduction
4.3.2 Modèle de prédiction de la Durée de vie, soumis aux cycles thermiques
4.3.3 Analyse de fiabilité
4.3.4 Optimisation de la conception basée sur la fiabilité
4.3.5 Conclusion
4.4 Application 3 : Analyse de fiabilité efficace relative au comportement Thermique d’un Package Electronique de type QFN, avec utilisation du modèle de substitution de krigeage avancé
4.4.1 Introduction
4.4.2 Caractérisation thermique du package QFN
4.4.3 Analyse de fiabilité avec utilisation du modèle de krigeage avancé
4.4.4 Conclusion
4.5 Application 4 :Analyse du comportement thermique et thermomécanique d’un inducteur de puissance par voie expérimentale et numérique, assortie d’une étude fiabiliste
4.5.1 Introduction
4.5.2 Mesures expérimentales
4.5.3 Modèle éléments finis
4.5.4 Présentation des résultats
4.5.5 Comparaison des résultats numériques avec les mesures expérimentales
4.5.6 Analyse fiabiliste
4.5.7 Conclusion
Conclusion générale
